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1、平顶山教育学院平顶山教育学院第二章第二章 物理层技术物理层技术学习目标学习目标把握物理层的涉及范围和意义把握物理层的涉及范围和意义1知道何为机械特性，并能举例说明知道何为机械特性，并能举例说明2知道何为电气特性和功能特性，并能举例说明知道何为电气特性和功能特性，并能举例说明3知道何为规程特性，并能说出相关技术知道何为规程特性，并能说出相关技术4Company Logo本章内容本章内容机械特性机械特性1电气特性和功能特性电气特性和功能特性2规程特性规程特性3Company Logo机械特性机械特性关于机械特性传输媒体接口标准：Company Logo机械特性机械特性v关于机械特性：关于机械特性：
2、物理层的机械特性基本就是这些传输线路的接头和对应设备端接口的标准。这里提到的设备端可以是主机、交换机或路由器，还可以是其他像Modem等连接设备。而接口和接头的标准主要涉及它们的形状、引线数目和排列次序等等。这些机械特性，显然是对相应线路和设备生产厂商的一种规定（必须如此生产），因此，其实就是一种协议，机械特性就是物理层协议的一个方面。需要再强调的是，我们所说的物理层技术跟物理媒体是两个不同的概念，物理媒体是具体的线路，而这些线路的技术标准和特性才是物理层技术。Company Logo机械特性机械特性v同轴电缆：同轴电缆：计算机网络中的基带同轴电缆又分为粗同轴电缆和细同轴计算机网络中的基带同轴
3、电缆又分为粗同轴电缆和细同轴电缆。电缆。粗同轴电缆（RG-11）细同轴电缆（RG-58）BNC接头同轴电缆结构Company Logo机械特性机械特性v细同轴电缆：细同轴电缆：细同轴电缆间的连接，有桶型连接器和T型连接器，都是BNC标准。桶型连接器连接两根细缆；T型连接器因为有三个接口，在连接两根细缆的同时还能连主机。如图。细同轴电缆连接Company Logo机械特性机械特性v细同轴电缆：细同轴电缆：按照标准，在细缆局域网的两个末端，还需要各接上一个终端电阻器（或称为匹配电阻），用于防止电信号在末端反射回去而干扰新的信号。如图。终端电阻器Company Logo机械特性机械特性v粗同轴电缆：
4、粗同轴电缆：粗同轴电缆连接的局域网络，一个网络使用一条完整的粗缆。在需要连接主机的线缆位置接上一个收发器（有相应部件会穿过粗缆外层与内部导线相连），收发器再通过收发器电缆和主机相连。收发器和主机连收发器电缆的接口是AUI标准，收发器电缆也称为AUI电缆。AUI接口Company Logo机械特性机械特性v双绞线：双绞线：双绞线依然是当今局域网络的主流线路，由塑料保护套和里面的八根导线组成，因为每两根导线相互缠绕在一起，故名双绞线。一般将相互缠绕的两根导线称为一对双绞线一对双绞线，而把包上塑料保护套的四对双绞线称为一条双绞线缆一条双绞线缆，图所示即为一条双绞线缆，但在不会引起误解的情况下，往往也
5、将双绞线缆直接简称为双绞线。双绞线缆中的八根导线按照颜色相互缠对如下：白橙和橙一对；白蓝和蓝一对；白绿和绿一对；白棕和棕一对。双绞线结构Company Logo机械特性机械特性v双绞线：双绞线：双绞线可以分为非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）两大类。屏蔽双绞线根据屏蔽方式又可以分为两类：一类是每对导线都有各自屏蔽层的屏蔽双绞线，即STP（Shielded Twisted Pair）；另一类是四对双绞线被整体屏蔽的屏蔽双绞线，即FTP（Foil Twisted Pair）。根据传输速度，双绞线又
6、可以分为三类、四类、五类、超五类、六类、七类等双绞线，传输性能依次递增，现在，超五类和六类是主流。非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线 Company Logo机械特性机械特性vRJ-45标准：标准：网卡接口就是RJ-45RJ-45接口接口，对应的线缆的接头就是RJ-45RJ-45接头接头（俗称水晶头）。插入RJ-45接头的4对双绞线（8根线）的排列次序是有规定的。有两种排列方式，即TIA/EIA568A和TIA/EIA568B（可简称T568A和T568B）。TIA/EIA568A：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕。TIA/EIA568B：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕。一条双绞线缆的两端
7、线序排列都按照T568B的顺序，这样的双绞线缆称为直通线直通线或正线正线。如果双绞线缆一端采用T568A顺序，而另一端采用T568B，那么这样的双绞线缆就称为交叉线或反线。至于用直通线还是交叉线需看具体网络环境而定。Company Logo机械特性机械特性v光纤：光纤：光纤也是常用的网络传输介质，信号是光信号，传输速度比同轴电缆和双绞线等电缆要快，多用在局域网主干网上。光纤通信中，在发送端需要提供光源作为信号载体，可以采用发光二极管或半导体激光器提供光源。光波以一定的入射角进入纤芯，向前传播时，在纤芯与包层的接触面上不断产生全反射，这样，光波在不补充能量的情况下可以传输较远距离。光纤传输Com
8、pany Logo机械特性机械特性v光纤：光纤：光纤其实还分为多模光纤多模光纤和单模光纤单模光纤。多模光纤，因为纤芯直径要远大于光波波长，所以光波在纤芯中是以全反射地形式向前传播的。对于单模光纤，因为纤芯直径和光波波长相差不大，所以，光波不会再以全反射形式传播，而是在纤芯内直线传播。多模光纤单模光纤 Company Logo机械特性机械特性v光纤：光纤：光纤玻璃丝极细且较脆，需要包裹加强件才能使用。一根光纤只能沿一个方向传输信号，这样双方通信至少需要两根光纤，一根发送，一根接收。在实际应用中，一般将多根光纤用加强件捆在一起做成光缆使用。光缆Company Logo机械特性机械特性v光纤：光纤：
9、在光缆跟主机或通信设备的连接端，除了用焊接技术之外，每根光纤需要一个接头和设备连接，这里的接头又称为光纤光纤连接器连接器，类似双绞线的RJ-45接头的作用。Company Logo机械特性机械特性v非导向传输媒体：非导向传输媒体：前面介绍的同轴电缆、双绞线和光纤都是属于导向传输媒体，即通常说的有线线路。相应的，我们将无线线路称为非导向传输媒体。各种无线传输技术使用的电磁波频谱主要包括无线电、微波、卫星微波、红外线等。严格地讲，非导向传输媒体几乎不涉及前面所谓的机械特性，因为无线传输的介质是没有具体形状的自由空间，跟前面介绍的同轴电缆、双绞线和光纤这些有具体形状的导向媒体不一样，所以，无线线路没
10、有类似有线线路那样的接头标准，除了主机或通信设备的无线信号收发端不成标准的物理形状外，几乎没有可算标准的机械特性。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v关于电器特性和功能特性：关于电器特性和功能特性：接口引脚提供的电压范围和接口采用的信号类型可归属于物理层的电气特性电气特性。网络接口的引脚功能和信号的编码方式，就属于物理层的功能特性功能特性。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号：信号信号，就是通信线路上的电磁波（当然由发送端产生的），是具体的物理状态。数据数据，就是信号所表示的内容，是逻辑意义，相同的信号可能
11、表示不一样的内容，比如：同样一个电平信号“”，有的表示二进制数据“1”，有的可能表示二进制“0”。信息信息，一般可以认为是数据所表达的涵义，同样的数据（串）也可能表达不一样的内涵，比如：二进制数据串“01000001”可能代表一个十进制整数“65”，也可能表示大写英文字符“A”。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号：信号信号，就是通信线路上的电磁波（当然由发送端产生的），是具体的物理状态。数据数据，就是信号所表示的内容，是逻辑意义，相同的信号可能表示不一样的内容，比如：同样一个电平信号“”，有的表示二进制数据“1”，有的可能表示二进
12、制“0”。信息信息，一般可以认为是数据所表达的涵义，同样的数据（串）也可能表达不一样的内涵，比如：二进制数据串“01000001”可能代表一个十进制整数“65”，也可能表示大写英文字符“A”。模拟信号转换成数字信号的过程称为模模/数转换数转换或A/DA/D转换转换。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字数据的模拟调制：数字数据的模拟调制：数字信号转换成模拟信号的过程称为数数/模转换模转换或D/AD/A转换转换，一般也称为调制。将数字数据调制成模拟信号有三种基本方法。幅移键控幅移键控ASKASK（Amplitude Shift KeyingAmplitude Shif
13、t Keying）。频移键控频移键控FSKFSK（Frequency Shift KeyingFrequency Shift Keying）。相移键控相移键控PSKPSK（Phase Shift KeyingPhase Shift Keying）。其中相移键控又可分为绝对相移键控和相对相移键控。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字数据的模拟调制：数字数据的模拟调制：Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字数据的模拟调制：数字数据的模拟调制：在前面的调制中，不管哪种调制，都只有两种状态两种状态，如：幅移键控，只有“无振幅”和“有振幅”两种状
14、态；频移键控，只有“初始频率”和“两倍初始频率”两种状态；相移键控同样只有两个相位状态。只有两个状态，所以载波的每一个状态就只能表示一位二进制数据。想让载波的每个状态携带多位二进制位数据，那么可以采用多幅幅移键控、多频频移键控或多相相移键控，可以统称为多级调制多级调制。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字数据的模拟调制：数字数据的模拟调制：以多相相移键控多相相移键控为例，如果能提供4个相位，而不是像上面的只有两个相位，那么载波的每个相位状态可以表示两位二进制数据，可按如下图的方式调制。多相相移键控示例 Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v
15、数字数据的模拟调制：数字数据的模拟调制：为了有更高的数据传输率，还有更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，如正交调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。下图是两种正交调制的例子，分别是8-QAM和16-QAM。正交调制示例 Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v调制解调器：调制解调器：前面已指出，计算机之间利用电话网络传输数据时，要涉及到信号类型的转换。当主机将由数字信号表示的数据发送到电话网络上之前，需要先把数字信号转换成能在电话网络上传输的模拟信号，即为调制调制。从电话网络上传给主机的数据是用模拟信号表示的，在交给主机之前也得
16、将模拟信号转换成主机能识别的数字信号，这个过程也称为解调解调。在通信主机和电话网络之间需要一个既能调制又能解调的设备，这个设备就是调制解调器调制解调器ModemModem（俗称“猫”）。调制解调器Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字信号编码：数字信号编码：假如，现在需要发送一串二进制数据“01101100”，采用数字信号表达和传输，看下面的图示。码元码元：一个具有独立意义的数字信号单位。如上面两种编码传输方式中的任何一个电平就是一个码元。上面第一种编码方式只提供两种电平，所以只有两种码元，这样，一个码元只能表示一位二进制数据，我们可将这种编码方式称为二元制编码二元
17、制编码。上面第二种显然是四元制编码四元制编码。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字信号编码：数字信号编码：这里对数字数据的数字信号编码有点类似上一节介绍的对数字数据的模拟调制。这里的“独立意义的数字独立意义的数字信号单位信号单位”相当于前面“模拟载波的状态模拟载波的状态”，其实前面的模拟载波的一个状态也可以称为一个码元，两者的不同在于一个是数字信号而另一个则是模拟信号。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字信号编码：数字信号编码：信道：信道：是按照某种技术标准传输信号的通道。数据传输率数据传输率，即信道上单位时间内传输的二进制数据量，单
18、位是bps或b/s，读作“位每秒”或“比特每秒”。数据传输率一般简称为数据率，或称为比特率。1Tbps=1000Gbps=106Mbps=109kbps=1012bps波特率波特率：信道上单位时间内传输的码元个数。单位是波波特（Baud），即1波特就是每秒传输1个码元。码元信息量码元信息量：即一个码元所代表的比特数（二进制位数）。比特率比特率=波特率波特率码元信息量码元信息量计算机网络通信中，人们很多时候更喜欢将比特率称为带宽带宽，所以，带宽经常成为比特率的同义词。Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v数字信号编码：数字信号编码：Company Logo电气特性和功能特
19、性电气特性和功能特性v信道数据率计算：信道数据率计算：模拟传输：设模拟载波的频率是f，而每个码元占k个载波周期的时间长度（载波周期是载波频率的倒数），那么波特率就是f/k。若码元信息量是n，那么数据率v可计算如下：V=(fk)n，（k 1）Company Logo电气特性和功能特性电气特性和功能特性v信道数据率计算：信道数据率计算：数字传输：设发送（方波）时钟频率是f，而每个码元占k个时钟周期的时间长度（时钟周期是时钟频率的倒数），那么波特率就是f/k。若码元信息量是n，那么数据率v可计算如下：V=(fk)n，（k 1）Company Logo规程特性规程特性v关于规程特性：关于规程特性：规程
20、特性规程特性：主要规定（单段）链路上数据传输的方法、过程或步骤，常常涉及不同功能的各种动作或事件出现的先后顺序。规程特性可以包括下面三方面的技术（这是个人建议性的技术归类）：1.数据传输方式2.同步技术3.复用技术Company Logo规程特性规程特性v数据传输方式：数据传输方式：并行传输和串行传输。Company Logo规程特性规程特性v数据传输方式：数据传输方式：通信交互方式通信交互方式：单工、半双工和全双工。Company Logo规程特性规程特性v同步技术：同步技术：同步同步：是指通信的发送方的发送速率（或发送进度）跟通信的接收方的接收速率（或接收进度）相一致（或相匹配）的状态。即
21、通信双方收发步调相一致。通信双方收发不同步的例子Company Logo规程特性规程特性v同步技术：同步技术：同步传输同步传输。Company Logo规程特性规程特性v同步技术：同步技术：异步传输异步传输。Company Logo规程特性规程特性v同步技术：同步技术：异步传输异步传输。Company Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术：基带信号：发送端发送的未经调制的原始方波信号。基带就是原始信号的固有频带。基带传输基带传输：在信道上以基带信号通信的方式。信道复用信道复用：为了更好地利用信道资源，特别是那些网络主干道上的信道，必须能让来自多个发送方的信号都能在该信道上传输。常用复用
22、技术有：频分复用频分复用、时分复用时分复用和波分复用波分复用。其中时分复用又可分为同步时分复用和异步时分复用。Company Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术：频分复用频分复用FDM频带传输频带传输：将数字基带信号调制到高频率的模拟载波中，变成高频模拟信号，再发送到模拟信道上传输。频分复用频分复用：不同频率的模拟载波被调制后，得到多路不同的高频模拟信号，因为频率不同，它们相互之间不会冲突，可以在同一线路上无干扰地沿一个方向传输。频分复用也称为频分多路复用。宽带信号宽带信号：就是频分复用后的模拟信号。频分复用示例家庭ADSLCompany Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术
23、：频分复用频分复用FDM普通电话线路可传输电磁波总频带宽度是01.104MHz，即普通电话线带宽是1.104MHz，注意这里的带宽不是数据传输率。ADSL分三个频段：语音传输频段、上行（上载）传输频段和下行（下载）传输频段。频分复用示例家庭ADSLCompany Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术：同步时分复用同步时分复用STDM利用这条线路时，以某个时间长度T为复用周期复用周期，将T分成等量4段，在这4段时间间隙（简称时隙）中，分别由4台主机依次占用线路发送数据。注意，这里的帧是信道复用中的帧概念，属于物理层技术，和第三章将要讲到的帧是两个完全不同的概念，第三章讲的帧概念是属于数据
24、链路层的帧。同步时分复用技术实现相对容易，但是有个明显的缺点，就是线路带宽浪费严重。Company Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术：异步时分复用异步时分复用STDM异步时分复用也有复用周期T，在T内也发送一个数据链路层的帧。异步时分复用，对帧不是固定分配时隙而是采用按需动态分配时隙。Company Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术：同步时分复用例子同步时分复用例子综合业务数字网ISDN。电话机、传真机和计算机分时复用从ISDN Modem到电话局的数字线路。该数字线路提供ISDN的标准 BRI（基本速率接口）传输，即两条B信道和一条D信道（简称2B+D）。其中D信道用于传输信令和控制信息作维护链路之用，带宽是16kbps；而B信道用于传输数据，带宽是64kbps。Company Logo规程特性规程特性v复用技术：复用技术：波分复用波分复用波分复用：其实是光波的频分复用。波分复用Company Logo平顶山教育学院平顶山教育学院